土力学课件：第5章 土的抗剪强度

1、第五章 土的抗剪强度一、概述土的抗剪强度：是指土体对于外荷载所产生的剪应力的极 限抵抗能力。土体强度破坏的机理： 在外荷载引起的剪应力或剪应变超过土体的抗剪强度，导致土体沿着剪应力作用方向产生相对滑动剪切破坏。边坡滑裂面工程背景p挡土墙滑裂面地基p滑裂面工程中土的破坏形式主要表现为滑动破坏面剪切破坏二、土的抗剪强度与极限平衡条件1. 库仑定律(1776年)f = tan 砂土f =c+ tan 粘土c c -土的粘聚力ff -土的内摩擦角总应力法：抗剪强度的两种表达方法: 抗剪强度的第二种表达式 式中 c 、j分别为有效粘聚力和有效内摩擦角，统称为有效应力抗剪强度指标.有效应力法：法向应力采用

2、总应力s表示的抗剪强度.当法向应力采用有效应力s表示时，则称为抗剪强度的。2. 土体抗剪强度来源与影响因素摩擦力来源：滑动摩擦-剪切面土粒间表面的粗糙所产生的摩擦 咬合摩擦-土粒间互相嵌入所产生的咬合力 粘聚力来源： 土粒之间的胶结作用、电分子引力和结构性等因素 抗剪强度影响因素：摩擦力：剪切面上的法向总应力、土的初始密度、土粒级配、土粒形状以及表面粗糙程度粘聚力：土中矿物成分，粘粒含量，含水量以及土的地质历史3. 土中一点的应力状态331131dldlcosdlsin楔体静力平衡31dldlcosdlsin斜面上的应力莫尔应力圆方程O13 (1 +3 /2)2A(, )土中某点的应力状态可用

3、莫尔应力圆描述 4. 土的极限平衡条件 强度线应力圆与强度线相切：应力圆与强度线相割：极限应力圆f 理论破坏状态 应力圆与强度线相离： 莫尔库仑破坏准则c f2 fAc.cot(1 +3 )/2 剪应力判别方法：主应力判别方法：f312 f31cAcctg1/2(1 +3 )max土体处于极限平衡状态时，破坏面与大主应力作用面的夹角为 ff三、 土的剪切试验方法 1. 直接剪切试验试验仪器：直剪仪（应力控制式，应变控制式）PT上盒下盒透水石土样TP试样内的变形分布剪切前施加在试样顶面上的竖向压力为剪破面上的法向应力，剪应力为剪切力T除以试样面积A在法向应力作用下，剪应力与剪切位移关系曲线，根据

4、曲线得到该作用下，土的抗剪强度4mm a b 剪切位移l (0.01mm) 剪应力（kPa) 1 2 直剪试验原理直剪试验原理 土的抗剪强度包线在不同的垂直压力下进行剪切试验，得相应的抗剪强度f，绘制f - 曲线，得该土的抗剪强度包线 直剪试验方法分类通过控制剪切速率来近似模拟排水条件1. 快剪施加正应力后立即剪切3-5分钟内剪切破坏2. 固结快剪施加正应力-充分固结在3-5分钟内剪切破坏3. 固结慢剪施加正应力-充分固结慢慢施加剪应力-小于0.02mm/分，以保证无超静孔压cq 、q ccq 、cq cs 、s 直剪试验优缺点优点：仪器构造简单，试样的制备和安装方便，易于操作 缺点：剪切破坏

5、面固定为上下盒之间的水平面不符合实际情况，不一定是土样的最薄弱面。试验中不能严格控制排水条件，对透水性强的土尤为突出，不能量测土样的孔隙水压力。 上下盒的错动，剪切过程中试样剪切面积逐渐减小，剪切面上的剪应力分布不均匀2. 三轴压缩试验仪器设备：压力室，加压系统，量测系统等组成。试样压力室压力水排水管阀门轴向加压杆有机玻璃罩橡皮膜透水石顶帽进水管 3 3 3 3 3 31.施加周围压力2.施加竖向压力试验加载的基本步骤:三轴试验的强度包线分别作围压为100 kPa 、200 kPa，得到破坏时相应的（1-)f绘制两个破坏状态的应力摩尔圆，画出它们的公切线，即强度包线11- 31 =15%强度包

6、线(1-)fc (1-)f100 kPa200 kPa 三轴试验方法三轴试验方法固结排水试验（CD试验) 1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散； 2 打开排水阀门，慢慢施加轴向应力差以便充分排水，避免产生超静孔压固结不排水试验（CU试验）1 打开排水阀门，施加围压后充分固结，超静孔隙水压力完全消散；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水不固结不排水试验（UU试验）1 关闭排水阀门，围压下不固结；2 关闭排水阀门，很快剪切破坏，在施加轴向应力差过程中不排水cd 、d ccu 、cu cu 、u 有效应力圆总应力圆u=0BCcuuAA3A1A饱和粘性土

7、在三组3下的不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆试验表明：三个试样的周围压力3不同，但破坏时的主应力差相等，三个极限应力圆的直径相等，因而强度包线是一条水平线三个试样只能得到一个有效应力圆 （1）不固结不排水剪（UU）不同试验方法的剪切试验结果 （1）不固结不排水剪的剪切试验结果将总应力圆在水平轴上左移uf得到相应的有效应力圆，按有效应力圆强度包线可确定c 、 ccuc cu饱和粘性土在三组3下进行固结不排水剪试验得到A、B、C三个不同3作用下破坏时的总应力圆，由总应力圆强度包线确定固结不排水剪总应力强度指标ccu、 cuABC（2）固结不排水剪（CU） （2）固结不排水

8、剪的剪切试验结果在整个排水剪试验过程中， uf 0，总应力全部转化为有效应力，所以总应力圆即是有效应力圆，总应力强度线即是有效应力强度线。强度指标为cd、dcdd总结:对于同一种土，在不同的排水条件下进行试验，总应力强度指标完全不同有效应力强度指标不随试验方法的改变而不同，抗剪强度与有效应力有唯一的对应关系（3）固结排水剪（CD） （3）固结排水剪的剪切试验结果 三轴试验优缺点优点：试验中能严格控制试样排水条件，量测孔隙水压力，了解土中有效应力变化情况试样中的应力分布比较均匀 缺点：试验仪器复杂，操作技术要求高，试样制备较复杂 试验在2=3的轴对称条件下进行，与土体实际受力情况可能不符 四、无

9、侧限抗压强度试验ququ加压框架量表量力环升降螺杆无侧限压缩仪无侧限抗压强度试验是三轴剪切试验的特例，即3=0，只施加轴向压力直至发生破坏，剪切破坏时试样承受的最大轴向压力qu，称为无侧限抗压强度 试样 无侧限压缩仪根据试验结果只能作出一个极限应力圆（3=0，1=qu）。因此对一般粘性土，无法作出强度包线说明：对于饱和软粘土，根据三轴不排水剪试验成果，其强度包线近似于一水平线，即u=0，因此无侧限抗压强度试验适用于测定饱和软粘土的不排水强度qucuu=0无侧限抗压强度试验仪器构造简单，操作方便，可代替三轴试验测定饱和软粘土的不排水强度 无侧限抗压强度的应用 灵敏度反映土的结构受挠动对强度的影响

10、程度 根据灵敏度将饱和粘性土分类：低灵敏度土 1St2中灵敏度土 24饱和粘性土的原状土无侧限抗压强度与原土结构完全破坏的重塑土的无侧限抗压强度的比值时：M1HDM2五、现场试验十字板剪切试验 土的抗剪强度指标随试验方法、排水条件的不同而异，对于具体工程问题，应该尽可能根据现场条件决定采用实验室的试验方法，以获得合适的抗剪强度指标 试验方法适用条件不排水剪或快剪地基土的透水性和排水条件不良，建筑物施工速度较快排水剪或慢剪地基土的透水性好，排水条件较佳，建筑物加荷速率较慢的长期稳定问题固结不排水剪或固结快剪建筑物竣工以后较久，荷载又突然增大，或地基条件等介于上述两种情况之间六、抗剪强度指标的选用 不固结不排水剪（快剪） cu